含碳鉻鐵礦粉微波加熱體還原熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、我國鉻鐵礦資源非常貧乏，進(jìn)口依存度已達(dá)到95％。隨著世界上鉻鐵礦資源的增量開采，適合冶金要求的塊礦逐年減少，而粉礦逐年增加。據(jù)報(bào)道，目前世界上鉻鐵礦年開采量已達(dá)到1700萬噸，其中粉礦(粒度<8mm)已占到3/4，而塊礦僅占到1/4。因此，研究?jī)r(jià)格便宜的用鉻鐵礦粉生產(chǎn)鉻鐵的工藝流程就具有重大的意義。 目前，用粉狀鉻鐵礦冶煉鉻鐵的方法有直接入爐冶煉和預(yù)處理冶煉兩大類。直接入爐冶煉有礦熱爐冶煉和等離子爐冶煉兩種工藝；預(yù)處理冶煉則有燒

2、結(jié)、球團(tuán)和壓塊三種工藝。等離子技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以直接利用細(xì)粉原料和廉價(jià)的碳質(zhì)還原劑生產(chǎn)高碳鉻鐵，美國、南非、英國等相繼研制出了各種等離子爐，有的已進(jìn)入了工業(yè)應(yīng)用階段。但是現(xiàn)在，在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用等離子爐還存在著諸如等離子槍壽命短、能耗高等技術(shù)問題，且該工藝在生產(chǎn)中碳、低碳鉻鐵中受到限制。鉻鐵礦粉經(jīng)過燒結(jié)、球團(tuán)和壓塊等制備工藝預(yù)處理后，可用于傳統(tǒng)的礦熱爐或高爐冶煉碳素鉻鐵，但其造塊規(guī)模和設(shè)備更新受到嚴(yán)格限制。燒結(jié)鉻鐵礦具有強(qiáng)度高、透氣性好、

3、還、原性好等優(yōu)點(diǎn)，但因燒結(jié)工藝基建投資大、能源消耗高，且污染環(huán)境，使得鉻鐵礦粉的應(yīng)用技術(shù)也受到很大限制。用鉻鐵礦石直接還原合金化，雖然可以大幅度降低生產(chǎn)成本，加快還原進(jìn)程，但鉻鐵礦原料需要一定的粒度，冶煉中無法使用細(xì)粉礦。從20世紀(jì)80年代以來，我國對(duì)鉻鐵礦粉的利用技術(shù)進(jìn)行了大量研究，但是如何找到一種較好的方法利用鉻鐵礦粉生產(chǎn)鉻鐵或者含鉻鐵水，尤其是含碳低的鉻鐵，仍然是冶金工作者所面臨的一項(xiàng)重要研究課題。微波是一種特殊的電磁波，其頻率范

4、圍為300MHz～300GHz(波長(zhǎng)在100cm～1mm)，位于電磁波譜的紅外輻射(光波)和無線電波之間。微波的基本性質(zhì)與太陽光相似，波速與光速(3×10<'8>米/秒)相同。微波對(duì)粉礦具有明顯的加熱效應(yīng)，和傳統(tǒng)加熱方法相比，其具有如下特點(diǎn)：(1)體積性加熱；(2)選擇性加熱；(3)非接觸性加熱；(4)即時(shí)性加熱；(5)無污染性加熱。微波能是一種輻射型加熱能源，其顯著的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冶金粉狀物料進(jìn)行快速選擇性體加熱，它不依靠物料顆粒之

5、間傳遞熱量，而是依靠物料自身的介電性質(zhì)轉(zhuǎn)換微波能量，產(chǎn)生熱量，從而消除了傳統(tǒng)加熱方式所帶來的粉狀物料傳熱傳質(zhì)不均勻的現(xiàn)象。利用微波體加熱特性和含碳鉻鐵礦粉自還原特性，在半封閉系統(tǒng)中采用微波加熱，可以實(shí)現(xiàn)含碳鉻鐵礦粉的快速還原，獲得一定金屬化率的海綿鉻鐵。 本文選取了印度鉻鐵礦粉、無煙煤粉和鈣質(zhì)石灰粉所配置的含碳鉻鐵礦粉為實(shí)驗(yàn)物料，在微波加熱功率10kW、混合物料質(zhì)量1kg的條件下，在溫度分別為1000℃、1100℃、1200℃、

6、1300℃(大氣壓力下且無保護(hù)氣氛)時(shí)，使用20kW可調(diào)式微波冶金實(shí)驗(yàn)爐，在頻率2.45GHz微波場(chǎng)中，對(duì)比分析了不同配碳比含碳鉻鐵礦粉的升溫特性，并對(duì)其熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)規(guī)律進(jìn)行了深入的研究。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在本文實(shí)驗(yàn)條件下，變化含碳鉻鐵礦粉的配碳比(C∶O近似為0.8561、0.9527、1.1213)。隨著配碳比的逐漸提高，微波加熱含碳鉻鐵礦粉的升溫速率隨之有所提高。當(dāng)物料加熱到1200℃時(shí)，其升溫速率分別為66.67℃/mi

7、n·kg、80.00℃/min·kg、85.71℃/min·kg；固定配加5％的鈣質(zhì)石灰粉后，然后變化含碳鉻鐵礦粉的配碳比(C∶O近似為0.842、1.1941、1.5941)。配加鈣質(zhì)石灰粉后，在低配碳比下，物料初始的升溫速率有所下降。但隨著配碳比的逐漸提高，物料總體的升溫速率亦隨之有所提高。當(dāng)物料加熱到1100℃時(shí)，其升溫速率分別為73.33℃/min·kg、68.75℃/min·kg、91.66℃/min·kg。含碳鉻鐵礦粉在頻率

8、2.45GHz微波場(chǎng)中具有良好的升溫特性，其升溫速率方程可以近似表達(dá)為：T=at+6(第一階段)和T=(ct+d)<'1/2>(第二階段)；含碳鉻鐵礦粉易為微波加熱體還原。在C∶O原子摩爾比為0.842、CaO∶SiO<,2>分子摩爾比為0.3939的條件下，微波加熱還原含碳鉻鐵礦粉在1000℃、1100℃、1200℃、1300℃時(shí)的升溫速率分別為62.5℃/min、68.75℃/min、70.59℃/min、72.22℃/min。微波